1.3. Полупогружные буровые установки (ппбу)
В связи с потребностью проведения буровых работ на глубинах свыше 100 м появляется новая конструкция полупогружных буровых установок.
Первой ППБУ считается "Blue Water Rig № 1" (см. рис. 1.12), введенная в действие в 1961 году компанией "Shell Oil Company" в Мексиканском заливе, построенная американской фирмой "Ingalls Shipbuilding". Она была рассчитана на бурение скважины на глубинах моря от 30 до 120 м.
Рис. 1.12. первая ППБУ "Blue Water Rig №1" (США, 1961 г.)
В 1963 году была построена вторая ППБУ "Ocean Driller" компании "Odeco", имевшая три стабилизирующих водоизмещающих колонн, хотя общее количество опорных колонн конструкции значительно больше – 13. Эта буровая предназначена была для бурения на значительно большей глубине (210 м), рис. 1.13.
Рис. 1.13. Вторая ППБУ "Ocean Driller" (США, 1963 г.)
В 1965 году входит в строй ППБУ "Sedco 135А" компании "Fride & Coldman", также трехколонная (рис. 1.14). В дальнейшем была построена серия таких установок.
Рис. 1.14. ППБУ "Sedco 135А" (США, 1965 г.)
В 1969 году входит в строй ППБУ "Pentagone 81" компании "Neptune". Ее форма в плане – пятиугольная. Верхнее строение опирается на пять водоизмещающих колонн, связанных в нижней части с пятью поплавками.
Тримаранная ППБУ "Sea Quest", построенная в США в 1967 году как "Sedco 135С" и переоборудованная в Великобритании для работы в Северном море [5], в 1980 году после аварии уже у западного побережья Африки была затоплена.
Интересной особенностью установок "Sedco 135" является возможность работы при посадке на дно на малых глубинах (до 41 м), при больших глубинах (до 183 м) они функционируют на плаву, стоя на якорях.
Все первые ППБУ были несамоходными. В 1971 году появляется первая самоходная ППБУ"Ocean Prospector" (рис. 1.15), имевшая 12 водоизмещающих колонн и два главных подводных корпуса круглого сечения.
Рис. 1.15. Первая самоходная ППБУ "Ocean Prospector" (США, 1971 г.)
По мере развития строительства ППБУ постепенно выделяется три группы по глубине воды: до 250 м (в основном, 180 м), 300…400 м (в основном, 300 м), 450…550 м (в основном, 450 м) [4].
Одним из главных вопросов эксплуатационного использования ППБУ является обеспечение стабилизации установки относительно точки бурения. Применяется два вида устройств стабилизации ППБУ: многоякорная (пассивная) и динамическая (активная). Пассивная система представляет собой специальное якорное устройство, включающее 8–12 и больше цепей специальной категории прочности с якорями, якорными лебедками, роликами якорных цепей, обеспечивающими проводку цепей по колоннам вниз (рис. 1.16). Якоря с помощью судна обеспечения развозят на необходимое расстояние от ППБУ и опускают на дно акватории. В результате ППБУ оказывается зафиксированной на радиально разнесенных якорных канатах. Предварительное натяжение, создаваемое якорными лебедками, обеспечивает необходимую жесткость удержания ППБУ при горизонтальных смещениях от воздействии волнения и ветра.
Рис. 1.16. Основные категории сил, действующих на ППБУ с пассивной системой стабилизации
Активная система представляет собой совокупность подруливающих устройств, связанных с системой автоматического контроля положения относительно точки бурения и выдачи команд на включение подруливающих устройств с целью возврата в это положение при горизонтальных отклонениях ППБУ.
Несмотря на многие преимущества активной системы (в частности, высокая точность удержания, компактность, простота постановки), ей присущ и существенный недостаток – необходимость постоянной затраты энергии для работы, и, следовательно, расхода топлива. Пассивная система лишена этого недостатка, но имеет ограничения по глубине постановки ППБУ и габаритным размерам зоны расположения.
Находит применение комбинированная схема, когда на больших глубинах свыше 600 м используется динамическая, а на меньших – якорная.
Одной из самых глубоководных установок такого типа являются ППБУ "Sedco 709", построенная в 1979 году для эксплуатации на глубинах до 1830 м. Она оборудована активной системой динамической стабилизации для работ на глубине (мощность 18400 кВт) и якорной (восемь якорей с цепями длиной 1070 м) – для работы на относительно небольших глубинах.
В 1985 году японская фирма "Mitsui Engineering and Shipbuilding" построила ППБУ четвертого поколения"Henry Goodrich" (Рис. 1.17), рассчитанную на эксплуатацию в районах северной Америки и Канады на глубинах 1524 м и глубине бурения 9144 м.
Рис. 1.17. ППБУ четвертого поколения "Henry Goodrich" (Япония, 1985 г.)
Якорная система включает в себя 12 якорей с цепями длиной по 1680 м – для работы на малых глубинах и динамическая – на больших глубинах.
Характерная особенность конструкции ППБУ этого типа исключение диагональных связей колонн и водоизмещающих корпусов. Это связано с условиями работы в высоких широтах, где существенным являются нагрузки ото льда.
Строительством ППБУ занимаются многие страны. Особенно активны в этом отношении были Норвегия и Швеция.
Шведская фирма "Gotaverken Arendal A. B." (Гетеборг ("Goteborg")) в 1983 году разработала серию ППБУ для эксплуатации в арктических условиях в районах со сложной ледовой обстановкой (GVA-4000A, GVA-5000A) с грузоподъемностью палубы свыше 4000 т. В частности GVA-5000A имеет закрытый от внешнего воздействия четырехколонный корпус без диагональных связей. Она предназначена для бурения скважин глубиной 7600 м при глубине моря 50 м. Размеры таких ППБУ в плане 112,0х85,0 м, высота от основания до верхней палубы 43 м, осадка в рабочем состоянии 22 м (водоизмещение 30700 т), при транспортировке – 7,7 м (водоизмещение 22700 т).
Система стабилизации комбинированная – якорная из восьми якорей с цепями и динамическая с четырьмя ВДРК4 мощностью по 2400 кВт с гребными винтами в насадках. Электроустановка включает в себя четыре дизельгенератора мощностью 3000 кВт каждый.
Эти ВДРК позволяют ППБУ развивать в транспортном положении скорость 7,5 уз.
Развитие полупогружных буровых установок привело к появлению ряда разновидностей, различающихся конструктивной схемой.
В зависимости от количества водоизмещающих корпусов они получают разную форму в плане и могут быть подразделены: на двухкорпусные (катамаранные), трехкорпусные (тримараны), пятикорпусные (пентагон) и с кольцевым водоизмещающим корпусом.
Основные элементы полупогружных буровых установок такие (рис. 1.18): водоизмещающий корпус, стабилизирующие колонны, верхнее строение, на котором располагается технологическое оборудование (буровая вышка, склад и устройство подачи буровых труб и т.д.), жилые помещения, грузоподъемные краны, якорные механизмы и др.
Рис. 1.18. Схема конструкции ППБУ катамаранного типа: 1 – водоизмещающие корпуса (понтоны); 2 – стабилизирующие колоны; 3 – промежуточные трубчатые связи между понтонами; 4 – верхнее строение; 5 – жилые и технологические помещения; 6 – грузоподъемные краны; 7 – буровая вышка; 8 – якорные механизмы; 9 – якоря; 10 – ледовое подкрепление; 11 – вертолетная площадка
Основную часть (до 70 %) ППБУ составляют катамаранные конструкции.
Отечественная судостроительная промышленность приступила к освоению постройки ППБУ во второй половине 70-х годов XX столетия.
Проектирование этой установки ППБУ–6000/200 выполнило севастопольское ЦКБ "Коралл" (пр. 10170, главный конструктор В.М. Потапов). Предназначалась она для бурения скважин глубиной 6000 м при глубине моря до 200 м.
В 1980 году Астраханское судостроительное объединения закончило строительство первой установки этого проекта "Шельф-1" (рис. 1.19).
Рис. 1.19. ППБУ "Шельф-1" СССР, 1980 г.)
Эта плавучая полупогружная установка представляет собой конструкцию катамаранного типа с двумя водоизмещающими корпусами, на каждом из которых расположено по три стабилизирующие колонны, что служат опорами для верхнего строения. Комплекс специального бурового оборудования с буровой установкой "Уралмаш 6000/200 ППЭМ" расположен на верхнем строении. Главные размеры установки (длина х ширина х высота), м:
нижние корпуса 92,0х15,0х6,0;
верхнее строение 62,4х49,2х6,0.
Водоизмещение порожнем 11600 т при осадке 4,75 м, при переходе – 13800 т при осадке 5,6 м; эксплуатационное при бурении – 19770 т при осадке 14,3 м.
Якорная система пассивного позиционирования включает в себя восемь цепных якорных канатов с якорями (массой 18 т).
Серийное строительство ППБУ типа "Шельф" велось на Астраханском судостроительном объединении и Выборгском судостроительном заводе до 1986 года. Всего было построено семь установок этого типа. При создании этих установок отечественная судостроительная промышленность обеспечила производство нового ранее не выпускавшегося отечественной промышленностью судового оборудования: специальных якорных цепей и якорей (ПКБ "Прогресс", ЦНИИ ТС, ЧСЗ), электрогидравлических полноповоротных грузовых судовых кранов грузоподъемностью 63 т и вылетом 28 м (ПКБ "Прогресс", Первомайский завод "Фрегат"), мощных якорных лебедок (ЦНИИ "Компас", Первомайский завод "Фрегат") и др.
Значительное количество специального бурового оборудования в морском исполнении было разработано и поставлено другими отраслями отечественной промышленности.
В 80-х годах XX столетия была разработана плавучая буровая установка для арктических условий и дальневосточных морей. В 1991 году первое такая установка СПБУ 6500/100 пр. 15402 была построена на Выборгском судостроительном заводе для Сахалинского шельфа.
Рис. 1.20. Транспортировка ППБУ типа "Шельф" с ледовыми подкреплениями компании Лукойл
Конструкция полупогружных буровых установок обладает таким важным положительным качеством как высокая остойчивость в продольных и поперечных плоскостях. Поэтому нередко буровые установки такого типа переоборудуются под другое назначение: крановые суда, суда трубоукладчики и др. Наиболее известным таким случаем является международный проект "Морской старт" (Украина, Россия, США, Норвегия), предназначенный для запуска космических аппаратов с экватора.
За основу была принята ППБУ "Ocean Odyssey", построенная в Норвегии в 1982 году (рис. 1.21). Она представляла собой самоходную установку для арктических условий, рассчитанную на экстремальное воздействие ветра 190 км/час, волн высотой до 34 м, и морского течения 3 уз (5,6 км/час). Буровая вышка полностью закрытого типа, буровой станок с подогреваемым полом, что позволяло проводить буровые работы при температуре наружного воздуха до -35о С. Она имела длину 120 м и ширину 69 м.
После переоборудования в настоящее время "Ocean Odyssey" имеет водоизмещение в полупогруженном состоянии 50600 т, на плаву – 30000 т. (рис. 1.22).
Рис. 1.21. Самоходная ППБУ "Ocean Odyssey" (1982 г.)
Рис. 1.22. Схема переоборудованной ППБУ "Ocean Odyssey" по проекту "Морской старт" (1998 г.) и старт ракеты "Зенит"
В марте 1999 года в приэкваториальном районе Тихого океана со стартовой морской платформы, входящей в состав ракетно-космического комплекса морского базирования "Морской старт", впервые был осуществлен пуск космической ракеты-носителя "Зенит-3SL" с космическим аппаратом "Demo Sat" массой 4,5 т.
К апрелю 2009 года было произведено 30 запусков ракет Зенит с космическими аппаратами, из них 27 успешно.
Впервые в мире был создан мобильный плавучий космодром и ракетно-космический комплекс для запуска космических аппаратов различного назначения на высокие круговые и эллиптические орбиты, на геостационарные орбиты и межпланетные траектории.
Комплекс "Морской старт" создан в рамках международной кооперации (Россия, США, Украина, Норвегия). Космические аппараты поставляются фирмой "Боинг" (США). Ракета-носитель "Зенит-3SL" разработана КБ "Южное", изготавливается заводом "Южмаш" (Украина, г. ДнепропетровскЗапорожье). Разгонный блок создан в Ракетно-космической корпорации "Энергия" им. С.П. Королева (Россия). Стартовая платформа на базе добывающей буровой платформы "Odyssey" и сборочно-командное судно "Sea Launch Commander", как плавучие объекты, были построены и доработаны на верфях норвежской фирмы "Kwaerner".